导向机构对磁浮车辆横向载荷分配的影响分析

郭庆升，龚惠华，洪远卓

（1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001；2.磁浮交通车辆系统集成湖南省重点实验室，湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮列车是一种新型轨道交通工具，通过电磁铁与特殊的F轨道产生电磁力来提供列车的悬浮力。列车运行时与轨道零接触，具有噪声低、磨耗低、转弯半径小、爬坡能力强、无污染、选线自由度大等优点，是安全可靠、经济适用、环境友好型的城市轨道交通系统，是城市轨道交通发展的重要方向之一。目前中低速磁浮交通系统主要以以五悬浮架为主，主要用于大中城市及都市圈，如长沙磁浮快线、北京S1 线等。

导向机构作为中低速磁浮列车悬浮架的主要部件之一，其主要作用是将列车所受的横向载荷分配到各个模块上，使悬浮架在运行过程中保持良好的姿态。国内已有公开资料对中低速磁浮车辆导向机构进行了研究。参考文献［1］简单介绍了导向机构的结构及工作原理；参考文献［2］分析了导向机构的结构尺寸与悬浮架参数、曲线半径参数、轨距等的关系情况；参考文献［3］对导向机构在五悬浮架磁浮列车曲线通过中的作用及对磁浮列车导向性能的影响进行了研究；参考文献［4］［5］主要分析了五悬浮架磁浮车辆的动力学性能。本文主要针对五悬浮架中低速磁浮车辆进行分析，简单介绍导向机构的结构及布置，并对有无导向机构情况下，空气弹簧横向载荷进行理论分析及动力学仿真计算，从而了解导向机构对车辆横向载荷分配情况的影响。

1 导向机构结构

导向机构主要由长转臂、短转臂、横向拉杆、长拉杆等组成，如图1所示。长、短转臂分别与车体销接，是导向机构的转心，前后通过长拉杆相连，横向拉杆的一端连接长、短转臂，另一端连接活动滑台。导向机构内部连接以及与车体、滑台连接均为刚性铰接。

图1 导向机构三维示意图

五悬浮架磁浮车辆中，每节车共设置6 组滑台，其中1、3、4、6位为活动滑台，通过线性轴承与车体底部连接，滑台只能相对车体横移；2、5位固定滑台，与车体固定连接。1、6位滑台下连接一个空气弹簧，2、3、4、5位滑台下连接两个空气弹簧。两套导向机构分别安装在1、3位滑台和4、6位滑台上，通过导线机构可将活动滑台与车体产生横向约束。悬浮架结构示意图见图2。为使车辆顺利通过曲线线路，根据作图法计算，导向机构长转臂与短转臂的长度比应设置为2:1[1]。

图2 五悬浮架磁浮车辆悬浮架结构示意图

2 空簧横向载荷理论分析

本节主要对空气弹簧的横向载荷进行理论分析，从而了解车辆横向载荷的分配情况，故理论分析时只考虑了车辆在直线段受横向载荷的工况，设整车所受的横向载荷为F。由于整节车前后对称，只需对半节车进行分析,本理论分析中未考虑车辆倾斜、左右两侧空气弹簧差异等的影响。

磁浮车辆中由于设置有导向机构，当车辆在直线段受横向载荷时，车辆的横向载荷一部分通过固定滑台直接传递到空气弹簧，一部分通过导向机构传递到活动滑台再传递到空气弹簧,最终传递到悬浮模块上。单个导向机构受力及运动分析图见图3。设长转臂端部横向载荷为F1，短转臂端部横向载荷为F2，车辆在横向力作用下偏移δ，当个空气弹簧的横向刚度为K。

图3 导向机构受力及运动分析

由于导向机构的力矩平衡，并且五悬浮架磁浮车辆中导向机构的长、短转臂的长度比为2:1，故长、短转臂端部的横向载荷比为1:2，即

导向机构长、短转臂上的横向载荷均传递给对应的空气弹簧，导致空气弹簧发生横向偏移。根据图2可看出，长转臂连接在左右两个端部滑台上，每个端部滑台对应一个空气弹簧；短转臂连接在左右两个中间活动滑台上，每个中间活动滑台对应两个空气弹簧。设长转臂对应的每个空气弹簧的横向载荷为Fc，短转臂对应的每个空气弹簧的横向载荷为Fd。可得出：

可得：Fc=Fd

长、短转臂对应的空气弹簧的横向载荷一致，由于各空簧的刚度均为K，故长、短转臂对应的空气弹簧的横向偏移量一致，即导向机构的长、短转臂的横移量相等，导向机构不会发生转动，跟随车体一起横向移动。

固定滑台与车体固定连接，也随车体一起横向移动，故车辆在直线段受横向载荷导致车辆横向移动后，导向机构对应空气弹簧的横向位移与固定滑台对应空气弹簧的横向位移一致，所有空气弹簧的横向载荷相同。设每个空气弹簧的横向载荷为Fk。

假若磁浮车辆中无导向机构，由于活动滑台与车体之间横向无约束，车辆的横向载荷全部传递到固定滑台对应的空气弹簧上，每节车有4个固定滑台，每个固定滑台对应两个空气弹簧。设固定滑台对应的每个空气弹簧的横向载荷Fk1。

从上述理论分析可看出，五悬浮架磁浮车辆直线段受横向载荷工况下，有导向机构时各空气弹簧的横向载荷一致，均为F/20。无导向机构时固定滑台对应的空气弹簧横向载荷为F/8，活动滑台对应的空气弹簧的横向载荷为0。

3 空簧横向载荷动力学计算

为验证上述理论分析，利用动力学仿真软件SIMPACK对磁浮车辆在直线段、车辆右侧受7级横风的工况下空气弹簧的横向载荷进行计算分析。有导向机构时各空气弹簧的横向载荷计算结果见图4。受横风稳定后，各空气弹簧横向载荷值见表1。

表1 有导向机构时受7级横风稳定后空气弹簧横向载荷值

图4 有导向机构时直线段受7级横风空气弹簧横向载荷曲线图

从动力学计算结果图1、表2中可看出，直线段受横风时，各空气弹簧的横向载荷曲线基本上重合，受横风稳定后，各空气弹簧的横向载荷值相近。

但从计算结果中可看出左侧空气弹簧的横向载荷均比后侧的横向载荷值大，这种情况主要是因为车辆受横风时发现侧滚引起的。车辆侧滚时（示意图见图5），空气弹簧承担横风载荷的同时还需要承担车辆重力的横向分量。车辆受右侧横风时，根据力矩平衡，左侧空气弹簧承担的重力较大，相应重力的横向分量也较大，故左侧空气弹簧的横向载荷均比后侧的横向载荷值大。

图5 车辆侧滚示意图

无导向机构时各空气弹簧的横向载荷计算结果见图6。可看出2、5位滑台对应的空气弹簧横向载荷较大，其余活动滑台对应的空气弹簧横向载荷很小。

图6 无导向机构时直线段受7级横风空气弹簧横向载荷曲线图

由于受横风时车辆的侧滚，导致左侧空气弹簧的横向载荷大于右侧空气弹簧的横向载荷。活动滑台对应的空气弹簧也需承担车辆的重力及重力的横向分量，会导致端部滑台对应的空气弹簧横向载荷出现负值（载荷方向与横风方向相反）的情况。根据动力学仿真计算，车辆在直线段受横风工况时，空气弹簧的横向载荷计算结果与理论分析基本一致。

4 结语

通过上述理论分析及动力学仿真分析，五悬浮架磁浮车辆中，导向机构可将车辆横向载荷较为均匀的分配传递到各空气弹簧上，最终传递到悬浮模块上，使悬浮架在运行过程中保持良好的姿态。